Istraživači dinamike fluida koriste mnoge tehnike za proučavanje turbulentnih tokova poput okeanskih struja ili vrtložne atmosfere drugih planeta. Tim Arezoo Adrekanija je otkrio da matematička konstrukcija koja se koristi u ovim poljima pruža dragocene informacije o naponu u složenim geometrijama protoka.
Ardekani, profesor mašinstva na Univerzitetu Purdue, proučava složene tokove: od transportnih procesa koji se odnose na biofarmaceutike, do ponašanja mikroorganizama oko izlivanja nafte. „Njutnovske tečnosti poput vode su jednostavne za razumevanje, jer nemaju mikrostrukturu“, rekla je ona. „Ali složene tečnosti imaju makromolekule koji se rastežu i opuštaju, i to menja mnoga svojstva tečnosti, što dovodi do veoma uzbudljive dinamike tečnosti.“
Viskoelastična strujanja se često javljaju u prirodi, u biomedicinskim okruženjima i u industrijskim primenama—kao što su rešenja koja se koriste u sanaciji podzemnih voda. „Kada podzemna voda postane kontaminirana, remedijatori koriste određene rastvore na bazi polimera da bi raspršili hemikalije dizajnirane da razbiju zagađivače“, rekao je Ardekani. „Ali koju vrstu polimera treba da koriste, koliko i gde da ga ubrizgavaju? Jedini način da se odgovori na ta pitanja je razumevanje ponašanja ovih tokova, koje se svodi na merenje napona.“
Trenutno, jedini način da se kvantifikuju naponi polimernih tečnosti je tehnika koja se zove dvolomnost, koja meri specifične optičke osobine tečnosti. Ali to je veoma teško izvesti, često netačno i ne odnosi se na sve vrste makromolekula.
Ardekanijev tim je otkrio novu tehniku. Istraživači su kreirali matematički okvir koji uzima ulazne podatke od brzine protoka, dobijene brzinom slike čestica (uobičajena tehnika u dinamici fluida), i daje topologije polja napona i rastezanja za složene fluide. Njihovo istraživanje je predstavljeno u Proceedings of the National Academi of Sciences (PNAS).
U velocimetriji slike čestica (PIV), čestice tragača se ubrizgavaju u tečnost. Koristeći kretanje tih čestica, istraživači mogu ekstrapolirati informacije o ukupnoj kinematici protoka. Iako se ovo može lako koristiti za procenu napona u Njutnovskim tečnostima, Ardekanijev tim je otkrio matematičku korelaciju između ovih merenja i napona u viskoelastičnim tokovima.
Sve se povezuje kroz nešto što se zove Lagranževe koherentne strukture (LCS). „Lagranževe koherentne strukture su matematičke konstrukcije koje se koriste za predviđanje dinamike protoka tečnosti“, rekao je Ardekani. „Koriste ih okeanografi da predvide kako će se struje kretati; biolozi koji prate mikroorganizme; pa čak i astrofizičari, koji posmatraju turbulentne oblake na mestima kao što je Jupiter.
Dok istraživači turbulencije često koriste LCS, oni nikada do sada nisu primenjivani na polimerni stres. „Ujedinili smo dve različite grane mehanike kontinuuma“, rekao je Ardekani. „Korišćenje Lagranžovog istezanja i njegova primena na Eulerova polja naprezanja. A ovo se odnosi na širok spektar skala, od mezoskala pa sve do merenja industrijske skale.“
Rad je rezultat saradnje između Ardekani, njenog dr. student Manish Kumar i Jeffrei Guasto, vanredni profesor mašinstva na Univerzitetu Tufts. Oni su svoje nalaze predstavili u novembru na 75. godišnjem sastanku APS (American Phisical Societi) odeljenja za dinamiku fluida u Indijanapolisu, koji je Ardekani koorganizovao.
Iako je istraživanje uglavnom matematičko, Ardekani je uzbuđen što vidi kako će eksperimentalisti koristiti tehniku u laboratoriji iu stvarnom svetu. „Hajde da ponovo upotrebimo naš primer sanacije podzemnih voda“, rekao je Ardekani. „Istraživači obično koriste analizu tragova na ubrizganim tečnostima za merenje polja brzine. Ali sada, takođe mogu da identifikuju polja stresa, tako da mogu preciznije predvideti transport te tečnosti.“
